新型可拉伸電子材料讓屏幕可拉伸不再是夢(mèng)，皮膚顯示或屏幕成可能

從美國(guó)芝加哥大學(xué)回國(guó)加入蘇州大學(xué)不久的劉偉教授，在近日發(fā)表了一篇 Nature Materials 論文，介紹了一種性能媲美傳統(tǒng)硬屏的可拉伸屏幕。

這款可拉伸屏幕的學(xué)名叫做“可拉伸 OLED 器件”，它的最大外量子效率達(dá)到 8%，比之前報(bào)道的使用相同發(fā)光材料打造的同類型可拉伸 OLED 提升了 2.4 倍。它的開啟電壓只有 3.5V，使得其用一顆小型紐扣電池即可驅(qū)動(dòng)。這意味著該可拉伸 OLED 的性能可以媲美商用剛性 OLED。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z）

它可以輕松地被拉伸到 60%-100% 的應(yīng)變（長(zhǎng)度拉伸一倍），在此期間發(fā)光效率仍能保持在初始值的 75% 以上，而且發(fā)光顏色非常穩(wěn)定。它不僅適用于高效的熱激活延遲熒光發(fā)光材料，也適用于普通的熒光材料，能夠?qū)崿F(xiàn)從藍(lán)色到紅色的各種顏色顯示。

劉偉告訴 DeepTech：“我們首次將可拉伸 OLED 的效率等關(guān)鍵性能做到了與商用剛性 OLED 相當(dāng)?shù)乃健?strong>同時(shí)，我們發(fā)明了一種新型液態(tài)金屬合金——鋁鎵銦合金，能將傳統(tǒng)剛性的金屬鋁變得可以拉伸?！?/strong>這一次，他希望能夠?qū)⑵溆迷诰呱碇悄茴I(lǐng)域，更具體來說是讓這種屏幕成為機(jī)器人身體的一部分。

“人和機(jī)器人交互時(shí)，如果機(jī)器人表面是柔軟的、帶有可交互顯示的‘皮膚’，體驗(yàn)會(huì)更好、更自然。我們的顯示器可以做成任意形狀，適應(yīng)不平整或變形很大的表面，想放在哪里都可以，完全能夠根據(jù)需求來?！彼f。

圖 | 劉偉（來源：劉偉）

可拉伸屏幕難在哪里？

我們平時(shí)使用的手機(jī)和電視屏幕，大部分都是硬邦邦的。它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常精密，就像多層樓房一樣：有的負(fù)責(zé)供電的電極層，好比是這座樓房的樓板和屋頂；有的負(fù)責(zé)搬運(yùn)電子的傳輸層，好比是這座樓房的樓梯和電梯；有的是最終發(fā)光的發(fā)光層，好比是房間里的燈泡。所有這些樓層都是使用脆性小分子材料堆疊而來，稍微一彎就有可能斷裂和失效，導(dǎo)致屏幕不亮或出現(xiàn)黑線。

因此，人們一直希望造出一種可以像皮筋一樣彎曲、拉伸甚至不怕任何形變的屏幕?？衫?OLED 便是這類屏幕的統(tǒng)稱，它也將是可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互界面甚至醫(yī)療植入設(shè)備的核心。

然而，過去制造的可拉伸 OLED 屏幕有個(gè)致命弱點(diǎn)：工作電壓高、不夠亮、還費(fèi)電。它們的性能往往是傳統(tǒng)硬屏的 10% 都不到。問題主要出在 OLED 屏幕發(fā)光過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)——電子注入效率太低。

OLED 發(fā)光好比一個(gè)接力賽跑：電能源源不斷地從電池電極出發(fā)，帶正電的空穴和帶負(fù)電的電子好比是兩位運(yùn)動(dòng)員，它們分別從陽極和陰極出發(fā)，穿過各自的傳輸通道，最終在發(fā)光層相遇、結(jié)合、迸發(fā)出光能。

此前，人們?cè)诟倪M(jìn)發(fā)光層和陽極端的材料上已經(jīng)取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，可以成功將它們變得既柔軟又高效，但卻在陰極遇到了巨大瓶頸：找不到柔軟、導(dǎo)電性好、適合注入、傳輸電子的材料。

這讓可拉伸 OLED 的性能一直被卡在瓶頸里，無法與商業(yè)硬屏相媲美。直到劉偉此次和合作者，從兩個(gè)最根本的環(huán)節(jié)入手，徹底改變了局面。

為屏幕搭橋修路

首先，劉偉需要建造一條既柔軟又高效的電子高速公路，也就是打造全新的可拉伸電子傳輸層聚合物。本次設(shè)計(jì)思路非常巧妙，好比使用積木搭建了一個(gè)既有堅(jiān)固橋墩、又有彈性連接件的橋梁。

為此，他選擇基于三嗪的共軛單元作為分子骨架的核心部分，這種結(jié)構(gòu)電子親和能高，天生就渴望得到電子，因此能夠提供合適的能級(jí)，讓電子順暢通過，從而能夠確保高效的電子傳輸能力。

然后，他在分子骨架之中，插入了柔軟的長(zhǎng)烷基鏈。這些長(zhǎng)烷基鏈就像彈簧一樣，當(dāng)材料被拉伸的時(shí)候，能夠通過自身變形來吸收應(yīng)力和分散應(yīng)力，從而能夠保護(hù)那些脆性的發(fā)光電源和導(dǎo)電單元不會(huì)被拉斷。

他還在分子中加入了甲基等側(cè)鏈，故意讓分子的主干變得扭曲和不規(guī)整。這樣做有兩個(gè)好處：一是防止分子排列得太整齊而形成晶體，二是能夠保持較高的三重態(tài)能級(jí)，避免其掠奪發(fā)光層寶貴的能發(fā)光的激子。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z）

通過此，劉偉合成了五種烷基鏈不同的聚合物，并將它們分別命名為 PTG、PTG25D、PTG50D、PTG75D 和 PTGD。結(jié)果正如所料：

首先，烷基鏈越多，材料越柔軟。幾乎沒有烷基鏈的 PTG 拉伸不到 5% 就會(huì)斷裂，擁有 100% 烷基鏈的 PTGD 可以拉伸超過 200% 而不會(huì)斷裂。

其次，烷基鏈越多，電子遷移率就越容易下降。但是，通過精細(xì)調(diào)控比例，他在高拉伸性和高電子傳輸效率之間取得了平衡。所打造的新聚合物在剛性測(cè)試器件中的效率，甚至可以比肩最好的傳統(tǒng)商用小分子材料。

更神奇的是，通過量子化學(xué)計(jì)算模擬，他看到了這些聚合物在拉伸時(shí)的微觀世界的變化：柔軟的烷基鏈會(huì)和應(yīng)變方向進(jìn)行對(duì)齊，并會(huì)像潤(rùn)滑劑一樣帶動(dòng)周圍剛性的三嗪?jiǎn)卧黄饻睾偷匾苿?dòng)，從而能夠避免帶有破壞性的開裂。這使得基于該材料的 OLED 器件在經(jīng)歷 100% 應(yīng)變拉伸甚至 500 次重復(fù)拉伸之后，性能依然保持穩(wěn)定。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z）

施加金屬脆化術(shù)，讓鋁箔學(xué)會(huì)拉伸

理想的陰極需要使用鋁這樣的低功函數(shù)金屬，但是鋁本身是剛性的。為此，劉偉從液態(tài)金屬脆化效應(yīng)中找到靈感。比如，在一大塊鋁上滴一滴液態(tài)金屬，一段時(shí)間后鋁塊會(huì)變得酥脆和粉化。他覺得人們常常想盡方法想避免的脆化效應(yīng)反而是將剛性鋁轉(zhuǎn)化成可拉伸鋁的巧妙方法。

他發(fā)現(xiàn)在液態(tài)鎵銦合金中預(yù)先融入一點(diǎn)鋁，可以生成新的合金-鋁鎵銦，這能極大改善液態(tài)金屬對(duì)于鋁表面和彈性基底等大多數(shù)材料的濕潤(rùn)性，從而能夠使其均勻地涂抹甚至實(shí)現(xiàn)圖案化印刷在任意基底上。

在脆化處理上，劉偉將一層超薄的鋁鎵銦合金涂覆在預(yù)先蒸鍍好的鋁薄膜上。鋁鎵銦合金中的鎵和銦原子會(huì)滲入鋁膜的晶界。經(jīng)過處理的鋁膜看似光滑，保留了鋁的高度鏡面效果，但是內(nèi)部的微觀連接已經(jīng)被精心修飾。

最終，這種脆化處理帶來了驚人變化：處理后的鋁膜可以承受超過 100% 的拉伸而不會(huì)形成任何裂紋，而未經(jīng)處理的鋁膜稍微一拉就會(huì)支離破碎。與此同時(shí)，處理后的鋁膜初始導(dǎo)電率幾乎不受影響，并且在拉伸過程中也可以保持金屬一樣的導(dǎo)電性。

最重要的是，它保留了作為 OLED 陰極的關(guān)鍵特性，低功函數(shù)有利于電子注入，高光反射率可以將光反射出去和提高出光效率。其功函數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于銀納米線、碳納米管等柔性電極，電子注入能力與標(biāo)準(zhǔn)鋁陰極相當(dāng)，比舊有方案提升了將近一萬倍。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z）

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合催生全能型可拉伸屏幕

當(dāng)這條全新的“柔性電子高速公路”即 PTG75D 聚合物，遇到“柔性電子發(fā)射站”即脆化鋁陰極的時(shí)候，并且與已有的高性能可拉伸發(fā)光層和陽極結(jié)合時(shí)，便發(fā)生了本文開頭提到的性能。

劉偉表示：“這一成果最直觀的應(yīng)用就是用在顯示領(lǐng)域。未來可能出現(xiàn)可拉伸、不怕變形的顯示器，比如可以做成電子皮膚，既能用于人體，也能用于具身智能機(jī)器人表面作為人機(jī)交互的界面。但我認(rèn)為更重要的應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)療健康。

可拉伸 OLED 可以與光電傳感器結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血氧、心跳等健康狀況，甚至可用于光療、癌癥抑制、糖尿病治療乃至心臟起搏器等。這讓人能夠與自身的健康狀況進(jìn)行交互，前景十分巨大?！?strong>這項(xiàng)研究不僅僅是實(shí)驗(yàn)室里的幾個(gè)漂亮數(shù)據(jù)，它更解決了可拉伸光電領(lǐng)域一個(gè)長(zhǎng)期存在的核心瓶頸，為真正高性能、可穿戴的皮膚式電子設(shè)備鋪平了道路。

目前，劉偉已經(jīng)通過此次研究解決了電子注入的難題，未來將致力于開發(fā)更加高性能的發(fā)光材料，優(yōu)化器件的穩(wěn)定性和壽命，以及實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z）

他表示，本次工作解決了一個(gè)核心問題：效率。以前大家覺得可拉伸 OLED 效率做不上去，就很難商用。本次工作則讓大家看到了希望，效率已經(jīng)很有希望達(dá)到商用剛性 OLED 的水平。

接下來，除了效率、在亮度、尤其是器件壽命和穩(wěn)定性方面，可能還有更硬的骨頭要啃。如果這些關(guān)鍵指標(biāo)都能做到與剛性 OLED 差不多，那么其商業(yè)化前景將非常廣闊。

對(duì)于未來他表示：“總的來說，我們此次發(fā)展出了一個(gè)很好的驗(yàn)證平臺(tái)，可用于檢驗(yàn)各種新開發(fā)的可拉伸 OLED 材料的性能。后續(xù)，我們將基于這個(gè)平臺(tái)，發(fā)展性能更好的材料，讓可拉伸 OLED 的各方面的性能更接近甚至達(dá)到商用剛性 OLED 的水平。目前，我正在積極與業(yè)界、投資機(jī)構(gòu)及公司洽談合作，主要想法是圍繞可拉伸 OLED 的基礎(chǔ)材料，先成立公司，把核心材料做起來。”

參考資料：

相關(guān)論文 https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍